JP5098392B2

JP5098392B2 - 半導体装置

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Publication number: JP5098392B2
Application number: JP2007084176A
Authority: JP
Inventors: 大蔵上山; 春男高木
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2007-03-28
Filing date: 2007-03-28
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2027-03-28
Also published as: JP2008244238A

Description

本発明は、回路基板の一面に半導体素子の第１結合面が熱的に結合されるとともに回路基板の他面に冷却器が結合され、さらに、半導体素子における第１結合面と反対側の第２結合面にヒートマスが熱的に結合された半導体装置に関する。

回路基板に半導体素子が実装されてなる半導体装置において、半導体素子で発生した熱を放熱する技術として、例えば特許文献１に開示されるものがある。図６に示すように、特許文献１に開示の電子制御装置９０（半導体装置）は、下側ケース９９ａと上側ケース９９ｂとからなる筐体１００内に回路基板９１が配置されている。筐体１００内において、回路基板９１における発熱素子９２を実装した面には該発熱素子９２を覆うように蓋体９３が取り付けられている。蓋体９３は脚部９４とプレート部９５とを備えている。脚部９４は、回路基板９１における発熱素子９２の周囲から立設されている。放熱用のプレート部９５は、脚部９４の上部に連結され、プレート部９５の下面が発熱素子９２の上面と接近するとともに、プレート部９５の上面が上側ケース９９ｂの内壁面と接近している。また、蓋体９３におけるプレート部９５の上面と上側ケース９９ｂの内壁面との間には放熱用のゲル材９７が配置され、プレート部９５の下面と発熱素子９２との間には放熱用のゲル材９８が配置されている。

そして、電子制御装置９０においては、発熱素子９２で発生する熱は、ゲル材９８を介して蓋体９３のプレート部９５に伝導され、さらにゲル材９７を介して上側ケース９９ｂに伝導される。上側ケース９９ｂに伝導された熱は該上側ケース９９ｂから放熱され、結果として発熱素子９２の放熱が行われるようになっている。この電子制御装置９０は、発熱素子９２で発生した熱が該発熱素子９２の上側へ放熱され、発熱素子９２がその片側から冷却されるようになっている。
特開２００５−１２１２７号公報

ところが、特許文献１に開示の電子制御装置９０において、発熱素子９２で発生した熱は、発熱素子９２とプレート部９５の間に介在するゲル材９８に吸収されてしまい、プレート部９５への熱の伝導量が減少してしまう。さらに、プレート部９５と上側ケース９９ｂとの間にもゲル材９７が介在され、プレート部９５に伝導した熱はゲル材９７に吸収されてしまい、上側ケース９９ｂへの熱の伝導量が減少してしまう。このため、特許文献１の電子制御装置９０においては、発熱素子９２から発生した熱の上側ケース９９ｂへの伝導量が少なくなってしまい放熱特性が低い。

本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、半導体素子を片側から冷却するようにした半導体装置において、半導体素子で発生した熱の放熱特性を向上させることができる半導体装置を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、セラミック基板とそのセラミック基板の一方の面に設けられた金属回路とを有する回路基板において当該回路基板の一面である前記金属回路の表面に半導体素子の第１結合面が熱的に結合されるとともに前記回路基板の他面に前記半導体素子で発生した熱が伝導される強制冷却式の冷却器が結合され、さらに、前記半導体素子における前記第１結合面と反対側の第２結合面にヒートマスが熱的に結合された半導体装置であって、前記半導体素子の平面形状は前記回路基板における前記金属回路の平面形状より小さく形成されるとともに半導体素子は回路基板における前記金属回路の面内に配置され、前記ヒートマスは前記半導体装置の平面視において半導体素子の縁を越えた位置にある回路基板に対向するまで延びるヒートマス本体を備え、ヒートマス本体と回路基板との間に絶縁性を有する材料よりなる熱伝導部が介装されるとともに該熱伝導部によってヒートマスと回路基板とが熱的に結合されており、前記ヒートマス本体は、前記ヒートマス本体の先端に向かうに従い前記回路基板における前記金属回路の表面に近づくように傾斜して形成されている。

この発明によれば、ヒートマス本体を半導体素子を挟むことなく回路基板に対向するように形成し、回路基板と該回路基板に対向するヒートマス本体との間に熱伝導部を介在させ、該熱伝導部によってヒートマスと回路基板とを熱的に結合させた。このため、半導体装置には、半導体素子から冷却器へ直接熱を伝導させる放熱経路と、ヒートマスから熱伝導部及び回路基板を介して冷却器へ熱を伝導させる放熱経路とが形成される。よって、半導体素子から冷却器へ直接熱を伝導させる放熱経路だけしか形成されない場合に比して半導体装置における放熱特性を向上させることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の半導体装置において、前記ヒートマス本体において、半導体素子の縁と合致する位置からヒートマス本体の先端までの長さは、前記ヒートマス本体と前記回路基板との間の長さより長くなっている。この発明によれば、ヒートマス本体からの伝熱経路の領域に回路基板を位置させ、熱伝導部を介した放熱経路によって回路基板へ確実に放熱させることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の半導体装置において、前記熱伝導部は前記ヒートマス全体を被覆している。この発明によれば、ヒートマスの側面や、ヒートマスにおける半導体素子への結合側と反対側を覆う熱伝導部からも放熱させることができる。そして、ヒートマス全体が熱伝導部で覆われるため、ヒートマスにおける半導体素子への結合側と反対側には冷却器が設けることができず、半導体装置は回路基板の他面のみに冷却器が熱的に結合された片側冷却タイプである。このような片側冷却タイプの半導体装置であっても、半導体素子に対して２つの放熱経路を形成可能とすることによって半導体装置の放熱特性を向上させ、半導体素子が過熱状態になることを確実に抑制することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の半導体装置において、前記ヒートマス本体の厚みは１〜２０ｍｍに設定される。この発明によれば、ヒートマス本体が薄すぎてヒートマスの熱容量が不十分となり熱の吸収機能が十分に発揮されなかったり、ヒートマス本体が厚すぎて半導体装置の体格が大型化する不具合を無くすことができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のうちいずれか一項に記載の半導体装置において、前記ヒートマスには、前記半導体素子の第２結合面に半田を介して接合される脚部が形成され、前記脚部の平面形状は前記第２結合面の平面形状より小さく形成されるとともに脚部は第２結合面内に接合される。

この発明によれば、ヒートマスの脚部は半導体素子の第２結合面の範囲内に収まるように接合される。このため、半導体素子の周縁と、半導体素子の第２結合面とがヒートマスを介して電気的に接続されることを防止することができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５のうちいずれか一項に記載の半導体装置において、前記ヒートマス本体の平面形状は半導体素子における第２結合面の平面形状より大きく形成され、ヒートマス本体は半導体素子の全周縁を越えた位置にある回路基板に対向するように形成されている。

この発明によれば、ヒートマス本体の周り全体にヒートシンクへ向かう放熱経路を形成することができ、放熱特性を良好なものとすることができる。

本発明によれば、半導体素子を片側から冷却するようにした半導体装置において、半導体素子で発生した熱の放熱特性を向上させることができる。

以下、本発明を車両に搭載されて使用される半導体装置（半導体モジュール）に具体化した一実施形態を図１及び図２にしたがって説明する。なお、図１及び図２は半導体装置の構成を概略的に示したものであり、図示の都合上、一部の寸法を誇張して分かり易くするために、それぞれの部分の幅、長さ、厚さ等の寸法の比は実際の比と異なっている。

図１に示すように、半導体装置１０は、回路基板としての絶縁回路基板１１を備える。絶縁回路基板１１は、表面（上面）に金属回路１３を有し、裏面（下面）に金属板１６を有するセラミック基板１４を備える。そして、絶縁回路基板１１の一面となる金属回路１３には半田層Ｈ１を介して半導体素子１２の第１結合面１２ａが接合され、絶縁回路基板１１の一面には半導体素子１２の第１結合面１２ａが熱的に結合されている。なお、金属回路１３には複数の半導体素子１２が接合されているが、図示の都合上、１個のみ示している。半導体素子１２の平面形状は金属回路１３の平面形状より小さく、半導体素子１２は金属回路１３の面内に配置されており、半導体素子１２の全周囲に金属回路１３が位置している。また、絶縁回路基板１１の他面となる金属板１６には冷却器としての金属製のヒートシンク１５が接合され、絶縁回路基板１１の他面にはヒートシンク１５が熱的に結合されている。

ヒートシンク１５は、板状に形成されるとともに、冷却媒体が流れる冷媒流路１５ａを備えている。ヒートシンク１５の冷却能力は、半導体素子１２が定常発熱状態（通常状態）にある場合、半導体素子１２で発生した熱が絶縁回路基板１１を介してヒートシンク１５に伝導されて円滑に除去されるように設定されている。そして、ヒートシンク１５は、半導体素子１２で発生した熱が絶縁回路基板１１を介して伝導される強制冷却式の冷却器として機能する。

なお、半導体素子１２としては、例えば、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｒａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ、ダイオードが用いられる。金属回路１３は、例えば、アルミニウムや銅等で形成されている。また、半導体素子１２はその表裏両面が平滑面状に形成されている。セラミック基板１４は、例えば、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化ケイ素等により形成されている。ヒートシンク１５は、アルミニウム系金属や銅等で形成されている。アルミニウム系金属とはアルミニウム又はアルミニウム合金を意味する。金属板１６は、セラミック基板１４とヒートシンク１５とを接合する接合層として機能し、例えば、アルミニウムや銅等で形成されている。

ヒートシンク１５において、冷媒流路１５ａは、図示しない入口部及び出口部を備え、入口部及び出口部は、車両に装備された冷媒循環路に連結可能に形成されている。なお、絶縁回路基板１１及び半導体素子１２はヒートシンク１５に複数搭載されているが、図示の都合上、１個のみ示している。

半導体素子１２において、前記第１結合面１２ａと反対側の第２結合面１２ｂには該半導体素子１２で発生した熱を一時的に吸収して、その後、放出するヒートマス１７が半田層Ｈ２を介して接合されている。ヒートマス１７の材質としては、半導体素子１２とヒートマス１７とを接合する半田（半田層Ｈ２）より高融点の金属が好ましい。

そして、半導体装置１０は、半導体素子１２の第２結合面１２ｂに熱的に結合されたヒートマス１７を備えている。ヒートマス１７は半導体素子１２の電極を兼ねている。半導体素子１２がＩＧＢＴの場合、第２結合面１２ｂがエミッタになってヒートマス１７はエミッタ電極になる。また、半導体素子１２がＭＯＳＦＥＴの場合、第２結合面１２ｂがソースになってヒートマス１７はソース電極になる。さらに、半導体素子１２がダイオードの場合、第２結合面１２ｂがアノードになってヒートマス１７はアノード電極になる。

ヒートマス１７の熱容量は、過負荷等によって半導体素子１２から定常発熱状態より大きな熱が発生して、ヒートシンク１５による冷却機能が足りなくなった際、半導体素子１２で発生した熱の一部を一時的に吸収して半導体素子１２が過熱状態になることを抑制するのに必要な値に設定されている。例えば、半導体装置１０がハイブリッド車の走行用モータの制御に使用されるインバータの場合、定常運転状態から急な加速あるいは急停止の場合、１秒未満の短時間で半導体素子１２からの発熱で定格の３〜５倍もの損失熱量が発生する。この実施形態においては、その際に、半導体素子１２の温度が動作温度の上限を超えないようにヒートマス１７の熱容量が設定される。なお、急停止の場合に過大な損失熱量が発生するのは、回生動作が行われるために大きな電流が流れるからである。

ヒートマス１７は、平面形状が半導体素子１２の平面形状より大きなヒートマス本体１７ａと（図２参照）、該ヒートマス本体１７ａから延設された一つの脚部１７ｂとから構成されている。ヒートマス本体１７ａは平面視長方形状をなす板状に形成され、脚部１７ｂを除いたヒートマス本体１７ａの厚みＤはヒートマス本体１７ａの長さ方向に沿って一定となっている。ヒートマス本体１７ａの厚みＤは１〜２０ｍｍに設定されるのが好ましい。ヒートマス本体１７ａの厚みＤが１ｍｍ未満であると、上述のように設定されたヒートマス１７の熱容量、すなわち、ヒートシンク１５による冷却機能が足りなくなった際、半導体素子１２で発生した熱の一部を一時的に吸収して半導体素子１２が過熱状態になることを抑制するのに必要な熱容量を確保できなくなり好ましくない。一方、ヒートマス本体１７ａの厚みＤが２０ｍｍを越えると、ヒートマス１７として機能するのに十分な熱容量を確保できるが、ヒートマス１７の体格が大型化してしまい好ましくない。

ヒートマス１７の脚部１７ｂはその軸方向に直交する断面視が四角形状に形成され（図２参照）、該脚部１７ｂの断面形状は半導体素子１２の平面形状より小さくなっている。そして、ヒートマス１７は、脚部１７ｂが半導体素子１２の第２結合面１２ｂの範囲内に収まるように半田層Ｈ２を介して第２結合面１２ｂに接合されている。すなわち、脚部１７ｂの直下の周囲には半導体素子１２の第２結合面１２ｂが位置している。このため、ヒートマス本体１７ａは第２結合面１２ｂには直接接合されておらず、ヒートマス本体１７ａによって第２結合面１２ｂと半導体素子１２の周縁１２ｃとが電気的に接続されないようになっている。

図２に示すように、ヒートマス１７が半導体素子１２に接合された状態において、半導体装置１０の平面視ではヒートマス本体１７ａは半導体素子１２全体を覆い、半導体装置１０の平面視において、ヒートマス本体１７ａは半導体素子１２の周縁１２ｃを越える位置まで延びている。このため、図１に示すように、ヒートマス本体１７ａの下面１７ｃのほぼ全面は、半導体素子１２を挟むことなく絶縁回路基板１１における金属回路１３に対向している。本実施形態においては、ヒートマス本体１７ａの下面１７ｃによって絶縁回路基板１１の一面たる金属回路１３に対向する対向面が形成されている。また、ヒートマス１７は、ヒートマス本体１７ａの下面１７ｃが金属回路１３に対して平行をなすように形成されている。

半導体素子１２の周縁１２ｃを通過し、かつ半導体素子１２の厚み方向に延びる直線を直線Ｋとする。そして、前記直線Ｋが下面１７ｃと交わる位置を交差点Ｐとすると、該交差点Ｐは下面１７ｃにおいて半導体素子１２の周縁１２ｃに合致する位置となる。そして、下面１７ｃにおいて、半導体素子１２の周縁１２ｃ（端縁）に合致する位置（交差点Ｐ）からヒートマス本体１７ａの先端までの長さはＬ１に設定されている。この長さＬ１は、ヒートマス本体１７ａの下面１７ｃと金属回路１３との間の長さＬ２より長くなっている。

半導体装置１０において、半導体素子１２からヒートマス１７に吸収された熱のヒートマス本体１７ａの先端からの伝熱経路は、ヒートマス本体１７ａの両下端を頂部とし、金属回路１３の面と４５°の角度を成す面を側面（斜面）とする台形状となり、図１において二点鎖線で示す直線Ｎ１が伝熱経路全体の境界を表す。また、二点鎖線で示す直線Ｎ２が特に伝熱に高く寄与する伝熱経路の境界を示す。そして、この直線Ｎ２で示す伝熱経路の領域に絶縁回路基板１１が面するように前記長さＬ１は長さＬ２より長く設定されている。

半導体装置１０において、ヒートシンク１５より上側全体は合成樹脂材料製の熱伝導部２０によって被覆されている。熱伝導部２０は絶縁性を有する材料よりなり、材質としては熱伝導率の高い合成樹脂が好ましく、例えば、エポキシ樹脂やフィラーを樹脂に混合させた樹脂材料が挙げられる。

熱伝導部２０は、ヒートマス１７全体、すなわちヒートマス本体１７ａ及び脚部１７ｂを被覆し、ヒートマス本体１７ａの側面及び脚部１７ｂの側面に熱伝導部２０が接触している。また、熱伝導部２０は、絶縁回路基板１１（金属回路１３）を被覆し、金属回路１３に接触している。そして、熱伝導部２０を形成する合成樹脂材料はヒートマス本体１７ａにおける下面１７ｃと絶縁回路基板１１における金属回路１３との間にも隙間なく充填され、熱伝導部２０は下面１７ｃ及び金属回路１３に接触している。このため、ヒートマス本体１７ａの下面１７ｃと金属回路１３（絶縁回路基板１１）とは熱伝導部２０を介して熱的に結合されている。

次に前記のように構成された半導体装置１０の作用を説明する。半導体装置１０は、車両としてのハイブリッド車に搭載されるとともに、図示しない冷媒循環路にヒートシンク１５がパイプを介して連通された状態で使用される。冷媒循環路にはポンプ及びラジエータが設けられ、ラジエータは、モータにより回転されるファンを備え、ラジエータからの放熱が効率よく行われるようになっている。冷却媒体として、例えば、水が使用される。

半導体装置１０に搭載された半導体素子１２が駆動されると、半導体素子１２から熱が発生する。定常運転状態（定常発熱状態）では、半導体素子１２から発生した熱は、半田層Ｈ１及び絶縁回路基板１１を介してヒートシンク１５に伝導される。すなわち、半導体素子１２から発生した熱は半田層Ｈ１及び絶縁回路基板１１を介した放熱経路Ｙ１を経てヒートシンク１５に伝導される。ヒートシンク１５に伝導された熱は、冷媒流路１５ａを流れる冷却媒体に伝導されるとともに持ち去られ、該熱はヒートシンク１５で放熱される。すなわち、ヒートシンク１５は、冷媒流路１５ａを流れる冷却媒体によって強制冷却されるため、半導体素子１２で発生した熱がヒートシンク１５を介して効率良く除去される。

定常運転状態から急な加速あるいは急な停止が行われると、半導体素子１２からの発熱が急増し、１秒以下の短時間で定格の３〜５倍もの損失熱量が発生する。この非定常時の高発熱に対しては、ヒートシンク１５による強制冷却だけでは対処できない。しかし、半導体素子１２にはヒートマス１７が半田付けされているため、ヒートシンク１５で除去できない熱がヒートマス１７に一時的に吸収される。

また、ヒートマス１７が熱飽和状態になるとヒートマス１７に吸収された熱は、主にヒートマス本体１７ａの下面１７ｃから熱伝導部２０に伝導される。そして、熱伝導部２０に伝導された熱は絶縁回路基板１１を介してヒートシンク１５に伝導される。すなわち、ヒートマス１７に吸収された熱は、熱伝導部２０及び絶縁回路基板１１を介した放熱経路Ｙ２を経てヒートシンク１５に伝導される。ヒートシンク１５に伝導された熱は、冷媒流路１５ａを流れる冷却媒体に伝導されるとともに持ち去られ、ヒートシンク１５で放熱される。すなわち、ヒートシンク１５は、冷媒流路１５ａを流れる冷却媒体によって強制冷却されるため、ヒートマス１７に吸収された熱が効率良く除去される。

したがって、半導体装置１０においては、放熱経路Ｙ１を経て半導体素子１２からヒートシンク１５へ直接伝導される熱に加え、放熱経路Ｙ２を経てヒートマス１７から熱伝導部２０及び絶縁回路基板１１を介してヒートシンク１５へ伝導される熱が、ヒートシンク１５を流れる冷却媒体に持ち去られる。さらに、ヒートマス本体１７ａの先端や上面（ヒートマス１７における半導体素子１２への結合側と反対側）にも熱伝導部２０が接触しているため、熱伝導部２０を介して放熱される。そして、半導体装置１０が定常運転状態に戻ると、ヒートマス１７の熱が半導体素子１２及び絶縁回路基板１１を介してヒートシンク１５へ伝導され、ヒートマス１７は元の状態に戻る。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）ヒートマス１７におけるヒートマス本体１７ａをその下面１７ｃ（対向面）が半導体素子１２を挟むことなく金属回路１３（絶縁回路基板１１の一面）に対向するように形成し、ヒートマス本体１７ａと金属回路１３との間に熱伝導部２０を介在させ、ヒートマス本体１７ａと金属回路１３とを熱的に結合させた。このため、半導体装置１０には、半導体素子１２からヒートシンク１５へ直接熱を伝導させる放熱経路Ｙ１と、ヒートマス１７から熱伝導部２０及び絶縁回路基板１１を介してヒートシンク１５へ熱を伝導させる放熱経路Ｙ２とが形成される。よって、半導体素子１２からヒートシンク１５へ直接熱を伝導させる放熱経路Ｙ１だけしか形成されない場合に比して半導体装置１０における放熱特性を向上させることができる。

（２）ヒートマス本体１７ａと金属回路１３との間に熱伝導部２０が介在するため、ヒートマス本体１７ａから熱伝導部２０及び絶縁回路基板１１を介してヒートシンク１５へ延びる放熱経路Ｙ２が形成される。そして、ヒートマス１７が熱飽和状態になっても、該ヒートマス１７が吸収した熱を放熱経路Ｙ２を通過させてヒートシンク１５に熱を伝導させ、ヒートシンク１５から放熱させることができる。よって、半導体素子１２が過熱状態になることが抑制される。

（３）ヒートマス本体１７ａにおける下面１７ｃにおいて、半導体素子１２の周縁１２ｃに合致する位置（交差点Ｐ）からヒートマス本体１７ａの先端までの長さＬ１は、ヒートマス本体１７ａの下面１７ｃと金属回路１３との間の長さＬ２より長くなっている。このため、ヒートマス本体１７ａからの伝熱経路のうち特に伝熱に高く寄与する伝熱経路の領域に絶縁回路基板１１が面するようにすることができ、ヒートマス１７が吸収した熱を放熱経路Ｙ２を通過させてヒートシンク１５に熱を伝導させることができる。

（４）ヒートマス本体１７ａの厚みは１〜２０ｍｍに設定されている。このため、ヒートマス本体１７ａが薄すぎてヒートマス１７の熱容量が不十分となり熱の吸収機能が十分に発揮されなかったり、ヒートマス本体１７ａが厚すぎて半導体装置１０の体格が大型化する不具合を無くすことができる。

（５）熱伝導部２０はヒートマス１７の全体を被覆している。このため、放熱経路Ｙ２を通ってヒートシンク１５に伝導される熱だけでなく、ヒートマス本体１７ａの側面や上面からも放熱させることができる。そして、半導体装置１０においては、ヒートシンク１５を冷却器として備える片側冷却タイプである。このような片側冷却タイプの半導体装置１０であっても、２つの放熱経路Ｙ１，Ｙ２を形成可能とすることによって半導体装置１０の放熱特性を向上させ、半導体素子１２が過熱状態になることを確実に抑制することができる。

（６）ヒートマス１７において、脚部１７ｂは半導体素子１２の第２結合面１２ｂの範囲内に収まるように接合されている。このため、半導体素子１２の周縁１２ｃと、半導体素子１２の第２結合面１２ｂとがヒートマス本体１７ａを介して電気的に接続されることを防止することができる。

（７）ヒートマス本体１７ａの平面形状は半導体素子１２における第２結合面１２ｂの平面形状より大きく形成され、ヒートマス本体１７ａは下面１７ｃが半導体素子１２の全周縁１２ｃを越えた位置にある金属回路１３に対向するように形成されている。そして、ヒートマス本体１７ａの全周に亘って熱伝導部２０が設けられている。このため、ヒートマス本体１７ａの全周にヒートシンク１５へ向かう放熱経路Ｙ２を形成することができ、放熱特性を良好なものとすることができる。

（８）熱伝導部２０は絶縁性を有する合成樹脂材料よりなる。そして、溶融させた合成樹脂材料をヒートマス本体１７ａと絶縁回路基板１１との間に充填して熱伝導部２０を形成することが可能となる。このため、熱伝導部２０をヒートマス本体１７ａと金属回路１３に確実に接触させることができる。そして、例えば、熱伝導部２０を固体状に成形したものとし、この固体状の熱伝導部２０をヒートマス本体１７ａと絶縁回路基板１１との間に嵌め込む場合に比して、ヒートマス本体１７ａと金属回路１３との熱的な結合を良好なものとすることができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 図３に示すように、熱伝導部２０はヒートマス１７全体を被覆するように設けられず、絶縁回路基板１１の一面（金属回路１３）とヒートマス本体１７ａの下面１７ｃ（対向面）との間のみに介在されるように設けられていてもよい。又は、図示しないが、熱伝導部２０はヒートシンク１５よりも絶縁回路基板１１側（上側）において、絶縁回路基板１１、半田層Ｈ１、半導体素子１２、半田層Ｈ２及びヒートマス１７の側方に設けられ、ヒートマス１７の上面を被覆しないように設けられていてもよい。

○ 図４に示すように、ヒートマス１７においてヒートマス本体１７ａは、その先端に向かうに従い下面１７ｃが絶縁回路基板１１の一面（金属回路１３）に近づくように傾斜して形成されていてもよい。このように構成すると、絶縁回路基板１１の一面（金属回路１３）とヒートマス本体１７ａの下面１７ｃとの間隔が徐々に短くなり、ヒートマス１７から絶縁回路基板１１へ熱を伝導させやすくなる。なお、この場合、ヒートマス本体１７ａの下面１７ｃから金属回路１３までの長さＬ２は、ヒートマス本体１７ａの先端における下端から金属回路１３までの長さとなる。また、ヒートマス１７の厚みＤはヒートマス本体１７ａの先端における厚みとなる。

○ 図５に示すように、ヒートマス本体１７ａは、半導体装置１０の平面視において半導体素子１２の第２結合面１２ｂから半導体素子１２の周縁１２ｃの一部を越えて延びるように形成され、ヒートマス本体１７ａが半導体素子１２の周縁１２ｃの全周を越えていなくてもよい。すなわち、ヒートマス本体１７ａと金属回路１３との間に半導体素子１２を介することなく熱伝導部２０が介装され、熱伝導部２０によってヒートマス本体１７ａと金属回路１３とが熱的に結合されるのであれば、ヒートマス本体１７ａの形状は任意に変更してもよい。図５においては、熱伝導部２０はヒートマス１７全体を被覆するように設けられず、絶縁回路基板１１の一面（金属回路１３）とヒートマス本体１７ａの下面１７ｃ（対向面）との間のみに介在されるように設けられている。なお、熱伝導部２０は、実施形態のようにヒートシンク１５の上側全体に設けられ、ヒートマス１７全体を被覆するように設けられていてもよい。

○ 一つの半導体素子１２に複数のヒートマス１７を接合してもよい。この場合、ヒートマス１７を分割することにより熱応力が緩和される。
○ ヒートシンク１５は強制冷却式の冷却器であればよく、ヒートシンク１５を流れる冷却媒体は水に限らず、例えば、他の液体や空気などの気体であってもよい。また、沸騰冷却式の冷却器であってもよい。

○ 絶縁回路基板１１上に金属回路１３が１個形成される構成に限らず、金属回路１３が複数形成されるとともに、各金属回路１３上に半導体素子１２がそれぞれ接合された構成としてもよい。この場合、各半導体素子１２にヒートマス１７が接合され、各ヒートマス１７の下面１７ｃと、該下面１７ｃに対向する金属回路１３との間に熱伝導部２０が介装される。

○ 半導体装置１０は、車載用に限らず他の用途に使用するものに適用してもよい。

実施形態の半導体装置を概略的に示す断面図。実施形態の半導体装置を概略的に示す平面図。半導体装置の別例を概略的に示す断面図。半導体装置の別例を概略的に示す断面図。半導体装置の別例を概略的に示す平面図。背景技術の電子制御装置を示す断面図。

符号の説明

Ｄ…厚み、Ｈ２…半田としての半田層、Ｌ１，Ｌ２…長さ、１０…半導体装置、１１…回路基板としての絶縁回路基板、１２…半導体素子、１２ａ…第１結合面、１２ｂ…第２結合面、１２ｃ…縁としての周縁、１３…回路基板の一面を形成する金属回路、１５…冷却器としてのヒートシンク、１６…回路基板の他面を形成する金属板、１７…ヒートマス、１７ａ…ヒートマス本体、１７ｂ…脚部、２０…熱伝導部。

Claims

セラミック基板とそのセラミック基板の一方の面に設けられた金属回路とを有する回路基板において当該回路基板の一面である前記金属回路の表面に半導体素子の第１結合面が熱的に結合されるとともに前記回路基板の他面に前記半導体素子で発生した熱が伝導される強制冷却式の冷却器が結合され、さらに、前記半導体素子における前記第１結合面と反対側の第２結合面にヒートマスが熱的に結合された半導体装置であって、
前記半導体素子の平面形状は前記回路基板における前記金属回路の平面形状より小さく形成されるとともに半導体素子は回路基板における前記金属回路の面内に配置され、前記ヒートマスは前記半導体装置の平面視において半導体素子の縁を越えた位置にある回路基板に対向するまで延びるヒートマス本体を備え、ヒートマス本体と回路基板との間に絶縁性を有する材料よりなる熱伝導部が介装されるとともに該熱伝導部によってヒートマスと回路基板とが熱的に結合されており、
前記ヒートマス本体は、前記ヒートマス本体の先端に向かうに従い前記回路基板における前記金属回路の表面に近づくように傾斜して形成されている半導体装置。
前記ヒートマス本体において、半導体素子の縁と合致する位置からヒートマス本体の先端までの長さは、前記ヒートマス本体と前記回路基板との間の長さより長くなっている請求項１に記載の半導体装置。
前記熱伝導部は前記ヒートマス全体を被覆している請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
前記ヒートマス本体の厚みは１〜２０ｍｍに設定される請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の半導体装置。
前記ヒートマスには、前記半導体素子の第２結合面に半田を介して接合される脚部が形成され、前記脚部の平面形状は前記第２結合面の平面形状より小さく形成されるとともに脚部は第２結合面内に接合される請求項１〜請求項４のうちいずれか一項に記載の半導体装置。
前記ヒートマス本体の平面形状は半導体素子における第２結合面の平面形状より大きく
形成され、ヒートマス本体は半導体素子の全周縁を越えた位置にある回路基板に対向するように形成されている請求項１〜請求項５のうちいずれか一項に記載の半導体装置。